專(zhuān)利名稱(chēng)：一種直流固態(tài)斷路器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子與電工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種直流固態(tài)斷路器電路結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
固態(tài)斷路器(Solid State Circuit Breaker，簡(jiǎn)稱(chēng)SSCB)是用來(lái)快速切斷故障的一種新型電力自動(dòng)化設(shè)備，因其具有開(kāi)關(guān)時(shí)間短、無(wú)聲響、無(wú)電弧、無(wú)關(guān)斷死區(qū)、壽命長(zhǎng)及工作可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，具有極大的應(yīng)用前景。目前使用較多的是交流固態(tài)斷路器。在直流領(lǐng)域也有研究基于晶閘管的直流固態(tài)斷路器，例如中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利(專(zhuān)利號(hào)=200910026473. 8) 提供的一種揩振型直流固態(tài)斷路器，參見(jiàn)圖1。其正常關(guān)斷的關(guān)鍵是儲(chǔ)能脈沖電容Cltl與電感Lltl發(fā)生LC諧振且諧振電流大于負(fù)載的工作電流，在此結(jié)構(gòu)中儲(chǔ)能脈沖電容Cltl與電感 L10能發(fā)生LC諧振的必要條件是儲(chǔ)能脈沖電容Cltl的電壓高于供電電源電壓，而由于晶閘管漏電阻和電容漏電阻的存在，勢(shì)必會(huì)造成儲(chǔ)能脈沖電容Cltl的能量通過(guò)晶閘管T22tl和T23tl向負(fù)載泄漏，當(dāng)儲(chǔ)能脈沖電容Cltl的電壓因能量泄漏而降到供電電源電壓時(shí)，儲(chǔ)能脈沖電容Cki 與電感Lltl達(dá)不到諧振的必要條件最終造成SSCB的關(guān)斷失效；針對(duì)此缺陷提出改進(jìn)拓?fù)淙鐖D2，此拓?fù)淅霉╇婋娫措妷簛?lái)降低LC諧振時(shí)對(duì)儲(chǔ)能脈沖電容Cltl電壓的要求，雖有效解決了因器件固有的漏電流造成的關(guān)斷不可靠問(wèn)題，但在短路故障關(guān)斷時(shí)，因諧振回路包含了供電電源，供電電源會(huì)流過(guò)數(shù)值很大的諧振電流，對(duì)供電電源造成很大的沖擊?；谇笆龇治?，本發(fā)明人針對(duì)現(xiàn)有的直流固態(tài)斷路器結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究改進(jìn)，本案由此產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題，是針對(duì)前述背景技術(shù)中的缺陷和不足，提供一種直流固態(tài)斷路器，其可有效避免因器件固有的漏電流而造成的儲(chǔ)能脈沖電容電壓降低而關(guān)斷不可靠及故障關(guān)斷時(shí)供電電源有很大的諧振電流流經(jīng)的問(wèn)題。本發(fā)明為解決以上技術(shù)問(wèn)題，所采用的技術(shù)方案是一種直流固態(tài)斷路器，包括直流供電電源和負(fù)載，還包括主開(kāi)關(guān)單元A和輔助開(kāi)關(guān)單元B，其中主開(kāi)關(guān)單元A包括主開(kāi)關(guān)晶間管和主開(kāi)關(guān)功率二極管，輔助開(kāi)關(guān)單元B包括第一晶閘管、第二晶閘管、第三晶閘管、第四晶閘管、第五晶閘管、第六晶閘管、第七晶閘管、第一電感、第二電感、第一儲(chǔ)能脈沖電容、第二儲(chǔ)能脈沖電容、第一限流功率電阻、第二限流功率電阻和續(xù)流二極管；直流供電電源的正輸出端分別接第六晶閘管的陽(yáng)極、第一晶閘管的陽(yáng)極、主開(kāi)關(guān)晶閘管的陽(yáng)極和主開(kāi)關(guān)功率二極管的陰極，直流供電電源的負(fù)輸出端分別與第七晶閘管的陰極、續(xù)流二極管的陽(yáng)極、第四晶閘管的陰極和負(fù)載的負(fù)輸入端連接接地，主開(kāi)關(guān)功率二極管的陽(yáng)極分別接主開(kāi)關(guān)晶閘管的陰極、負(fù)載的正輸入端、第二晶閘管的陰極和第三晶閘管的陰極，第一儲(chǔ)能脈沖電容的輸入端分別接第一晶閘管的陰極、第一電感的輸入端和第二電感的輸入端，第一儲(chǔ)能脈沖電容的輸出端分別接第五晶閘管的陰極和第一限流功率電阻的輸入端，第一限流功率電阻的輸出端接第四晶閘管的陽(yáng)極，第二儲(chǔ)能脈沖電容的輸入端分別接第六晶閘管的陰極和第五晶閘管的陽(yáng)極，第二儲(chǔ)能脈沖電容的輸出端分別接第二限流功率電阻的輸入端和續(xù)流二極管的陰極，第二限流功率電阻的輸出端接第七晶閘管的陽(yáng)極，第一電感的輸出端接第二晶閘管的陽(yáng)極，第二電感的輸出端連接第三晶閘管的陽(yáng)極。采用上述方案后，本發(fā)明的有益效果如下1、從電路結(jié)構(gòu)可靠性來(lái)說(shuō)，有效避免了因元器件固有的漏電流而造成的儲(chǔ)能脈沖電容電壓降低而關(guān)斷不可靠的問(wèn)題；2、從短路保護(hù)來(lái)說(shuō)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有效解決了故障關(guān)斷時(shí)供電電源有很大諧振電流流經(jīng)的問(wèn)題；3、從可關(guān)斷容量來(lái)說(shuō)，在器件允許的范圍內(nèi)斷路器可關(guān)斷容量與電壓的平方成正比。


圖1是一種現(xiàn)有諧振型直流固態(tài)斷路器的主電路結(jié)構(gòu)圖；圖2是針對(duì)圖1所示電路存在的缺點(diǎn)提出的改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明設(shè)計(jì)的直流固態(tài)斷路器的主電路結(jié)構(gòu)圖；圖4是正常開(kāi)通和關(guān)斷操作時(shí)序圖；圖5是短路關(guān)斷操作時(shí)序圖；圖6是SSCB開(kāi)通過(guò)程波形圖；圖7是SSCB正常關(guān)斷過(guò)程波形圖；圖8是SSCB短路關(guān)斷過(guò)程波形圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提供一種直流固態(tài)斷路器，其電路如圖3所示，其中A是主開(kāi)關(guān)單元，B是輔助開(kāi)關(guān)單元。其中，主開(kāi)關(guān)單元A包括主開(kāi)關(guān)晶閘管T11和主開(kāi)關(guān)功率二極管D1 ；輔助開(kāi)關(guān)單元B主要包括第一晶閘管T21、第二晶閘管T22、第三晶閘管T23、第四晶閘管T24、第五晶閘管T25、第六晶閘管T26、第七晶閘管T27，第一電感L1、第二電感L2，第一儲(chǔ)能脈沖電容Q、 第二儲(chǔ)能脈沖電容C2，第一限流功率電阻R1、第二限流功率電阻R2和續(xù)流二極管D2。其中輔助開(kāi)關(guān)B按功能和組合又可分為(1)第一輔助充電電路第一晶閘管T21、第一儲(chǔ)能脈沖電容C1、第一限流功率電阻 R1、第四晶閘管T24構(gòu)成；(2)第二輔助充電電路第六晶閘管T26、第二儲(chǔ)能脈沖電容C2、第二限流功率電阻 R2、第七晶閘管T27構(gòu)成；(3)輔助開(kāi)通電路續(xù)流二極管D2、第二儲(chǔ)能脈沖電容C2、第五晶閘管T25、第一儲(chǔ)能脈沖電容C1、第一電感L1、第二晶閘管T22構(gòu)成；(4)正常關(guān)斷電路續(xù)流二極管D2、第二儲(chǔ)能脈沖電容C2、第五晶閘管T25、第一儲(chǔ)能脈沖電容C1、第一電感L1、第二晶閘管T22構(gòu)成；(5)故障判斷電路續(xù)流二極管D2、第二儲(chǔ)能脈沖電容C2、第五晶閘管T25、第一儲(chǔ)能脈沖電容C1、第二電感L2、第三晶閘管T23構(gòu)成；以下介紹本 發(fā)明所提供的直流固態(tài)斷路器的工作原理先開(kāi)通第一晶閘管T21、第四晶閘管T24、第六晶閘管T26和第七晶閘管T27分別向第一儲(chǔ)能脈沖電容C1、第二儲(chǔ)能脈沖電容C2充電至供電電源電壓，然后開(kāi)通第五晶閘管T25和第二晶閘管T22，使第一儲(chǔ)能脈沖電容C1、第二儲(chǔ)能脈沖電容C2與第一電感L1發(fā)生LC諧振， 當(dāng)諧振電流增大至負(fù)載工作電流后，主開(kāi)關(guān)功率二極管D1開(kāi)始續(xù)流；當(dāng)主開(kāi)關(guān)功率二極管 D1中的續(xù)流電流降低至零時(shí)開(kāi)通主開(kāi)關(guān)晶閘管T11 ；主開(kāi)關(guān)晶閘管T11的電流隨著諧振電流的減小而增大；當(dāng)諧振電流減小為零時(shí)，主開(kāi)關(guān)晶閘管T11的電流達(dá)到穩(wěn)定值，開(kāi)通過(guò)程結(jié)束ο固態(tài)斷路器SSCB需要正常斷開(kāi)時(shí)，開(kāi)通第五晶閘管T25、第二晶閘管T22，第一儲(chǔ)能脈沖電容C1、第二儲(chǔ)能脈沖電容C2通過(guò)第一電感L1發(fā)生LC諧振；隨著諧振電流的增大，主開(kāi)關(guān)晶閘管T11電流減小，諧振電流大于負(fù)載電流時(shí)，主開(kāi)關(guān)晶閘管T11電流降到零從而實(shí)現(xiàn)自然關(guān)斷，諧振電流多余部分從主開(kāi)關(guān)功率二極率D1續(xù)流，當(dāng)諧振電流回降至零時(shí)，關(guān)斷過(guò)程結(jié)束。固態(tài)斷路器SSCB需要故障斷開(kāi)時(shí)，開(kāi)通第五晶閘管T25和第三晶閘管T23，第一儲(chǔ)能脈沖電容C1、第二儲(chǔ)能脈沖電容C2通過(guò)第二電感L2發(fā)生LC諧振，第二電感L2取值較第一電感L1小得多，諧振電流上升速度比故障電流上升速度要快，當(dāng)主開(kāi)關(guān)功率二極管D1有電流返回時(shí)，通過(guò)主開(kāi)關(guān)晶閘管T11的電流降為零，從而自然關(guān)斷。正常工作時(shí)電路工作狀態(tài)分析在圖4中，、時(shí)刻控制系統(tǒng)發(fā)出第一儲(chǔ)能脈沖電容C1、第二儲(chǔ)能脈沖電容C2充電指令，供電電源通過(guò)RC電路向第一儲(chǔ)能脈沖電容C1、第二儲(chǔ)能脈沖電容C2充電，第一儲(chǔ)能脈沖電容C1、第二儲(chǔ)能脈沖電容C2充電至供電電源電壓后的tl時(shí)刻觸發(fā)第五晶閘管T25、第二晶閘管T22，第一儲(chǔ)能脈沖電容C1、第二儲(chǔ)能脈沖電容C2、第一電感L1與負(fù)載發(fā)生RLC諧振， 諧振電流從零開(kāi)始逐漸增大。t2時(shí)刻，諧振電流增大至負(fù)載工作電流，當(dāng)諧振電流繼續(xù)增大，剩余部分從主開(kāi)關(guān)功率二極管D1續(xù)流，此時(shí)流過(guò)負(fù)載的電流In、主開(kāi)關(guān)功率二極管D1的電流iD1與諧振電流流過(guò)第二晶閘管T22的電流iT22的關(guān)系為iT22 = IN+iD1 ；流過(guò)主開(kāi)關(guān)功率二極管D1的電流隨著諧振的繼續(xù)而增大，達(dá)到峰值后開(kāi)始回落，t3時(shí)刻回落至負(fù)載電流，此時(shí)向主開(kāi)關(guān)晶閘管T11 發(fā)出開(kāi)通信號(hào)，在t3至t4時(shí)間段，流過(guò)主開(kāi)關(guān)晶閘管T11的電流iT11與負(fù)載工作電流In和流過(guò)第二晶閘管T22的電流iT22的關(guān)系為iT11 = IN+it22，負(fù)載工作電流In維持恒定，流過(guò)主開(kāi)關(guān)晶閘管T11的電流iT11隨著諧振電流的減小而增大，當(dāng)諧振電流降到零時(shí)，流過(guò)主開(kāi)關(guān)晶閘管T11的電流增大至負(fù)載工作電流In，從而實(shí)現(xiàn)零電流(壓)開(kāi)通；開(kāi)通后的、時(shí)刻再次發(fā)出第一儲(chǔ)能脈沖電容C1、第二儲(chǔ)能脈沖電容C2充電指令，為固態(tài)斷路器關(guān)斷作準(zhǔn)備。在圖4中，t4至t6時(shí)間段內(nèi)，電路處于正常運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)t6時(shí)刻是正常關(guān)斷的起始時(shí)刻。在t6時(shí)刻控制系統(tǒng)發(fā)出正常關(guān)斷命令，第五晶閘管T25和第二晶閘管T22導(dǎo)通，第一儲(chǔ)能脈沖電容C1、第二儲(chǔ)能脈沖電容C2與第一電感L1發(fā)生LC諧振；在t6至t7時(shí)間段， 諧振電流未增大到負(fù)載工作電流，通過(guò)主開(kāi)關(guān)晶閘管T11的電流iT11、通過(guò)第二晶閘管T22的電流iT22和負(fù)載工作電流In的關(guān)系為In = iT11+iT22，負(fù)載工作電流In維持恒定，主開(kāi)關(guān)晶閘管iT11的電流隨著諧振電流的增大而減小，并在t7時(shí)刻隨著諧振電流增至負(fù)載工作電流而減小至零從而自然關(guān)斷；此后諧振電流開(kāi)始大于負(fù)載工作電流，大于負(fù)載的那部分電流從主開(kāi)關(guān)功率二極管D1流走；主開(kāi)關(guān)功率二極管D1續(xù)流期間，儲(chǔ)能脈沖電容Cp C2存儲(chǔ)的能量一部分被負(fù)載消耗，一部分從主開(kāi)關(guān)功率二極管D1反饋回供電電源；當(dāng)主開(kāi)關(guān)功率二極管0工中的續(xù)流電流隨著諧振電流達(dá)到峰值后回落并降到零時(shí)，儲(chǔ)能脈沖電容Cp C2與第一電感L1、負(fù)載&發(fā)生RLC諧振，當(dāng)該諧振電流降到零時(shí)整個(gè)判斷過(guò)程結(jié)束。 短路關(guān)斷時(shí)電路工作狀態(tài)分析為保持開(kāi)關(guān)操作流程的完整性，用t' 5時(shí)刻表示短路關(guān)斷的起時(shí)刻，如圖5所示。t' 5時(shí)刻流過(guò)主開(kāi)關(guān)晶閘管T11的電流iT11(t' 5)=IN，t' 5時(shí)刻后負(fù)載開(kāi)始出現(xiàn)過(guò)流，流過(guò)主開(kāi)關(guān)晶閘管T11的電流迅速增大。t' 6時(shí)刻，流過(guò)主開(kāi)關(guān)晶閘管T11的電流達(dá)到設(shè)定的短路電流保護(hù)倍數(shù)，此時(shí)觸發(fā)第五晶閘管T25和第三晶閘管T23開(kāi)通，第一儲(chǔ)能脈沖電容C1、第二儲(chǔ)能脈沖電容C2通過(guò)第二電感1^2諧振放電，流過(guò)第三晶閘管T23的電流iT23(t' 6) =0，由于放電電流的速率上升很快，流過(guò)主開(kāi)關(guān)晶閘管T11的電流開(kāi)始下降。t' 7時(shí)刻，諧振支路的放電電流大于短路電流，流過(guò)主開(kāi)關(guān)晶閘管T11的電流減小為零，主開(kāi)關(guān)晶閘管T11自然關(guān)斷，與主開(kāi)關(guān)晶閘管T11反并聯(lián)的主開(kāi)關(guān)功率二極管D1開(kāi)始續(xù)流剩余的電流。t' 8時(shí)刻，主開(kāi)關(guān)功率二極管D1中的電流減小為零，其續(xù)流過(guò)程結(jié)束；t' 9時(shí)刻， 流過(guò)第三晶閘管T23的電流iT23降到零，故障關(guān)斷過(guò)程結(jié)束。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例中設(shè)計(jì)的參數(shù)線(xiàn)路電壓Vdc = 1000V,線(xiàn)路額定電流In = 100A,負(fù)載電阻& = 10 Ω ；儲(chǔ)能脈沖電容C1 = 200 μ F，第一電感L1 = 4mH，第二電感L2 = 80 μ H ；圖6、圖7、圖8是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的電路采用設(shè)計(jì)的參數(shù)時(shí)正常開(kāi)通、正常關(guān)斷和故障關(guān)斷三種情況下所對(duì)應(yīng)的波形圖。本實(shí)施例中的主開(kāi)關(guān)晶閘管Τη、主開(kāi)關(guān)功率二極管D1、第一晶閘管T21、第二晶閘管T22、第三晶閘管T23、第四晶閘管T24、第五晶閘管T25、第六晶閘管T26、第七晶閘管T27、續(xù)流二極管D2均采用成熟常規(guī)產(chǎn)品。綜上所述，盡管本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)、原理、方法通過(guò)上述實(shí)施例予以具體闡述，在不脫離本發(fā)明要旨的前提下，根據(jù)以上所述的啟發(fā)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可實(shí)施變換/替代形式或組合均落入本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種直流固態(tài)斷路器，包括直流供電電源和負(fù)載；其特征在于還包括主開(kāi)關(guān)單元 A和輔助開(kāi)關(guān)單元B，其中主開(kāi)關(guān)單元A包括主開(kāi)關(guān)晶間管和主開(kāi)關(guān)功率二極管，輔助開(kāi)關(guān)單元B包括第一晶閘管、第二晶閘管、第三晶閘管、第四晶閘管、第五晶閘管、第六晶閘管、 第七晶間管、第一電感、第二電感、第一儲(chǔ)能脈沖電容、第二儲(chǔ)能脈沖電容、第一限流功率電阻、第二限流功率電阻和續(xù)流二極管；直流供電電源的正輸出端分別接第六晶閘管的陽(yáng)極、第一晶閘管的陽(yáng)極、主開(kāi)關(guān)晶閘管的陽(yáng)極和主開(kāi)關(guān)功率二極管的陰極，直流供電電源的負(fù)輸出端分別與第七晶閘管的陰極、續(xù)流二極管的陽(yáng)極、第四晶閘管的陰極和負(fù)載的負(fù)輸入端連接接地，主開(kāi)關(guān)功率二極管的陽(yáng)極分別接主開(kāi)關(guān)晶閘管的陰極、負(fù)載的正輸入端、第二晶閘管的陰極和第三晶閘管的陰極，第一儲(chǔ)能脈沖電容的輸入端分別接第一晶閘管的陰極、第一電感的輸入端和第二電感的輸入端，第一儲(chǔ)能脈沖電容的輸出端分別接第五晶閘管的陰極和第一限流功率電阻的輸入端，第一限流功率電阻的輸出端接第四晶閘管的陽(yáng)極，第二儲(chǔ)能脈沖電容的輸入端分別接第六晶閘管的陰極和第五晶閘管的陽(yáng)極，第二儲(chǔ)能脈沖電容的輸出端分別接第二限流功率電阻的輸入端和續(xù)流二極管的陰極，第二限流功率電阻的輸出端接第七晶閘管的陽(yáng)極，第一電感的輸出端接第二晶閘管的陽(yáng)極，第二電感的輸出端連接第三晶閘管的陽(yáng)極。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種直流固態(tài)斷路器，包括直流供電電源和負(fù)載，還包括主開(kāi)關(guān)單元A和輔助開(kāi)關(guān)單元B，其中主開(kāi)關(guān)單元A包括主開(kāi)關(guān)晶閘管和主開(kāi)關(guān)功率二極管，輔助開(kāi)關(guān)單元B包括第一晶閘管、第二晶閘管、第三晶閘管、第四晶閘管、第五晶閘管、第六晶閘管、第七晶閘管、第一電感、第二電感、第一儲(chǔ)能脈沖電容、第二儲(chǔ)能脈沖電容、第一限流功率電阻、第二限流功率電阻和續(xù)流二極管。此種結(jié)構(gòu)可有效避免因器件固有的漏電流而造成的儲(chǔ)能脈沖電容電壓降低而關(guān)斷不可靠及故障關(guān)斷時(shí)供電電源有很大的諧振電流流經(jīng)的問(wèn)題。
文檔編號(hào)H02H3/08GK102222874SQ201110154838
公開(kāi)日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者歐世峰, 王莉 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)